基于曲梁的负刚度结构设计及其力学性能研究

论文摘要

负刚度多孔结构是近些年引起国内外广泛关注的一种新型轻质多功能结构。由于具备如负刚度效应、多稳态效应、可重复特性等特殊的性质或功能,使其在冲击吸能,振动控制,形态转换超材料,可展开结构,噪声隔离等方面有较为广泛的应用前景。目前报道的负刚度结构存在力学性能较低,吸能效率不高,结构形式单一等问题,且大多数研究只停留在结构的静态力学性能上,其动态响应和高次循环性能方面并没有得到深入的研究。在前人研究的基础上,为进一步探究负刚度结构更多的可能性,本文设计并制备了两种基于曲梁的负刚度结构,并建立了完善的理论、试验及仿真体系来评价和表征结构的性质,主要的研究内容及结论如下:1.金属负刚度结构:传统的负刚度结构主要以弹性变形为主,因此目前的负刚度结构选用母材以弹性体和塑料为主,这些母材的承载能力一般较低,这极大地限制了负刚度结构的实际应用。本文首先设计了一种可重复使用的金属结构,它可以实现塑性变形耗散能量,并凭借非弹性不稳定性表现出负刚度行为。基于该结构,首先通过压缩试验和数值模拟结合的方法,研究了该结构的力学性能;其次,通过实验验证的数值模型揭示了结构的几何参数对吸能表现的影响。数值结果表明,随着参数比t/L和h/L的增加,抗压强度和比能量吸收都会增加。能量吸收效率随着t/L的增加而增加,但随着比值h/L的增加而减小。然后,通过循环加卸载试验研究了结构的可重用性,并探究了结构尺寸对可重用性的影响;此外,对结构材料进行了退火处理来改善其重用性;最后,根据传统制备工艺(切割、嵌锁、组装)制备了三维负刚度结构。结果表明,本文设计的金属负刚度结构的比吸能大于大多数传统负刚度结构,且其吸能效率也更高;同时,结构具有一定的可重用性(可重复使用次数达到20次以上),并且结构的可重用性能力随着结构尺寸的增加而下降;此外,结构通过退火处理可以大大改善可重用性(可重用次数提高一倍),但力学性能有所降低(压缩强度降低20%左右)。2.复合型负刚度结构:金属负刚度结构虽然具有一定的可重用性,但其可重用次数远远满足不了工程的需求。结合复合材料的设计理念,本文首次设计并研究了一种由两种材料体系组成的复合型负刚度结构:利用负刚度结构变形过程中各部分受力不同而导致应力分布不均匀的特征,采用软材料和硬材料结合的复合体系来构建负刚度结构,以实现高次可循环性并提高结构能力吸收能力的目的。在本章节中,通过选择性激光烧结技术(SLS)和熔融沉积成型技术(FDM)相结合的方法制备复合型负刚度结构,并建立了完整的实验和仿真体系来表征、评价结构的性能,对比了复合型负刚度结构与单材料负刚度结构在等效相对体积下的能量吸收能力,且通过准静态循环加卸载试验验证了结构的高次可重用性。此外,通过振动试验得到了结构在减振隔振方面的动力学特征。最后,通过冲击试验研究了结构的缓冲性能。冲击试验的实验结果表明,该结构通过加速度阈值响应表现出良好的缓冲性能,并且结构完全可重复使用。因此,该结构可以在需要可恢复的冲击隔离工程中找到应用,例如保险杠,头盔和其他个人保护装置。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陈帅

导师: 王兵

关键词: 金属负刚度,复合型负刚度,准静态力学特性,动态力学特性

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: O342

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.004530

总页数: 108

文件大小: 7604K

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